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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Netzteil kurzschluss sichern


Autor: Kike I. (kike)
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Hallo!

Ich habe eine Schaltung für ein +/- 30V/3A Nezteil erstellt (siehe 
Anhang). Nun möchte ich eine Kurzshlusssicherung anbringen, die bei 3A 
eingreift. Somit würde ich zum einen den maximalen Strom am Ausgang auf 
maximal 3A halten und dadurch den Regler im von mir berechneten 
maximalen Leistungsabfallbereich halten, und zum anderen auch vor 
Kurzschlüssen am Ausgang schützen.
Das Problem ist das ich nicht genau weiss wie ich das fertigbringen 
soll. Ich habe schon einige Schaltungen dazu gesehen (siehe nächsten 
Anhang), aber so ganz verstanden habe ich die nicht. Könnte mir da 
jemand von Euch ein bisschen weiterhelfen?

Autor: Kike I. (kike)
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Hier sind zwei Schaltungen, die ich gefunden habe. Ve soll theoretisch 
an den Eingang des Reglers und Vs an den Ausgang. Wohin die Basis des 
Transistors soll, weiss ich auch nicht so genau. Was jemand welchen Wert 
der Widerstand haben muss damit die Sicherung bei 3A eingreift, bzw. wie 
man den berechnet (damit, falls eine Änderung nötig wäre, ich nicht 
wieder fragen muss...)? Welche Transistoren und/oder Dioden muss ich 
benutzen?
Vielen Dank!

Autor: Winfried (Gast)
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Die erste Schaltung ist eine klassische Stromquelle. Über R1 fallen etwa 
0.7V ab, also musst du mit R = U/I = 0.7/3 berechnen. Die Basis muss 
über einen Widerstand an VE gelegt werden, der so klein ist, dass 
genügend Basisstrom fließen kann. Denk aber dran, dass an diesem 
Transistor ordentlich Verlustleistung im Kurzschlußfall entsteht. Dann 
fällt fast die ganze Spannung bei 3 A nämlich darüber ab. 3A * 30 V sind 
z.B. fast 100 Watt.

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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Was hältst Du von einer Polyswitch-Sicherung (MultiFuse)? Ist ein 
einziges Bauteil, löst bei entsprechender Dimensionierung nach etwa 7 
Sekunden aus und stellt sich von selbst zurück.

Autor: Jadeclaw Dinosaur (jadeclaw)
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Zwei Möglichkeiten gibt es hier:
http://wiesi.uttx.net/currlim.html

Die erste begrenzt, die zweite schaltet bis auf einen geringen Reststrom 
komplett ab.
die Schaltungen setze man zwischen Siebelko und Regler-IC.

Zur Netzteilschaltung selbst: Positivregler sollte ein LM317 sein, 
Negativregler ein LM337.
Man beachte auch die unterschiedliche Anschlußbelegung der Regler.
LM338 geht als Positivregler, wenn da wirklich 5 A gebraucht werden.
Achja, Kühlkörper nicht vergessen.

Gruss
Jadeclaw.

Autor: Kike I. (kike)
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Vielen Dank für Eure Antworten!

@Travel
Zu den Multifuse muss ich mich erst einmal schlau machen, denn ich 
kannte die noch gar nicht.

@Jadeclaw
Die LM317 und LM337 bringen doch nur 1.5A. Ich wollte schon mindestens 
3A, deshalb nehme ich den LM338 sowohl für positiv als auch für negativ. 
Sollte doch bei meiner Schaltung funktionieren, oder? Im Prinzip war das 
ganze für 30v/5A gedacht, aber habe ich nach ein bisschen Rechnerei 
schnell erkannt das im "worst case" der Regler zuviel Leistung verbraten 
muss, weshalb ich das ganze dann etwas umdimensioniert habe, sprich 
30V/3A.

Autor: Jadeclaw Dinosaur (jadeclaw)
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Dann wird das mit dem negativen Zweig so aber nicht funktionieren. Wenn 
es der LM338 werden soll, dann muss man beide Zweige als völlig separate 
positive Netzteile aufbauen und erst am Ausgang zusammenschalten:

---o----o +V
   +
Erster Zweig

---o-+
   - |
     +--o 0V = GND
     |
---o-+
   +
Zweiter Zweig

---o----o -V
   -

So als wenn man zwei Batterien zusammenschaltet.

Gruss
Jadeclaw.

Autor: Kike I. (kike)
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@Jadeclaw
So meinst Du (siehe Anhang)? Ich habe gedacht, dass es so wie vorher 
auch gehen würde. Anscheinend doch nicht. Danke für den Hinweis!

Autor: A.K. (Gast)
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Für 3A tut's auch LM350 statt LM338. Der ist zwar in der besser 
kühlbaren TO-3 Variante nicht billiger als der LM338, erspart aber u.U. 
die separate Strombegrenzung.

Autor: Jadeclaw Dinosaur (jadeclaw)
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@Kike:
Ja, so geht's.
Die vorherige Version ging deshalb nicht, weil ein Positivregler keine 
negative Spannung regeln kann.

Gruss
Jadeclaw

Autor: Kike I. (kike)
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@A.K.
Da ich mit dem TO-3 Gehäuse Arbeiten muss, ist der LM338 sogar billiger 
als der LM350 (Reichelt). Zumal will ich nicht unbedingt am Limit 
arbeiten sondern etwas Spielraum haben, d.h. 3A "Maximum" aber mit 
Strombegrenzung ab 3.5A mehr oder weniger.

Damit wäre ich bei dem Strombegrenzer auf den mich freundlicherweise 
Jadeclaw aufmerksam gemacht hat. Ich habe ein Bild von der Schaltung mit 
Strombegrenzung angehängt. Laut meinen Berechnungen muss dann R4 (bzw. 
R5) 0.2 Ohm betragen, damit T2 (bzw. T4) bei 3.5A anfängt dem anderen 
Transistor den Basisstrom zu "klauen", wodurch der Strom durch T1 (bzw. 
T3) runtergeht. Nun weiss ich aber nicht wieviel Strom dann durch T2 
(T4) fliesst, welcher ja dann auch an den Regler kommt, und weiss ich 
auch nicht wie gross man den Basiswiderstand (R3 und R6) wählen muss. 
Kann mir jemand weiterhelfen?
Welche Transistoren würden sich eignen?

Autor: A.K. (Gast)
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Apropos Begrenzung: Soll das ein einstellbares Netzteil werden, oder 
sind die 30V fest? Denn du wirst diesem Netzteil bei 5V keine 3A 
entlocken können.

Autor: Kike I. (kike)
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@A.K.
Es soll ein 1.2-30V Netzteil werden, bei dem man den Trafo per 
Knopfdruck zwischen 16 und 32Vss (11.3 und 22.6Veff) einstellen kann. 
Wegen der Verlustleistung, die Du, so viel ich werstanden habe, meinst.

Autor: A.K. (Gast)
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Wenn 22,6V aus dem Trafo rauskommen, werden es hinter dem Regler 
garantiert keine 30V, jedenfalls nicht mit etwas Last drauf.

Du wirst das so dimensionieren müssen, dass vor dem Regler mindestens 
~35V liegen, musst also in der Praxis mit Toleranzen usw. locker mit 40V 
rechnen. Wenn die nun für den Bereich 15-30V zuständig sind, komme ich 
auf ~75W Verlustleistung pro Regler. Bei 2-2,5K/W zwischen Regler und KK 
wird das ausgesprochen interessant (Regler selbst 1,4K/W plus Marge für 
Kontakt und ggf. Isolator). Hast du eine günstige Quelle für 
Flüssigstickstoff?

Autor: Kike I. (kike)
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Ich glaube Du musst da noch mal deine Rechnungen durchgehen, denn im 
schlimmsten Fall fallen 15V am Regler ab (dafür der Schaltbare Trafo) 
mal 3A machen nach Adam Riese 45W, die ich mit einem guten Kühler für 
jeden Regler kühle. Zumal das Netzteil nicht dafür gedacht ist, 
dauerhaft in dieser Zone zu Arbeiten, und da es für mich ist, weiss ich 
ja womit ich es zu tun habe.
Noch Ideen zu der Strombegrezungsschaltung?

Autor: A.K. (Gast)
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Deine Vorstellung ist also: Bei 30V am Ausgang sind es vor dem Regler 
exakt 30V und dahinter exakt 30V, ergo Verlustleistung 0W? Bei dieser 
Logik passt das mit den 45W.

Der Regler selbst braucht mindestens 3V Differenz. Ohne Vorregelung 
wirst du es nicht schaffen, dort genau 33V zu kriegen. Du wirst es nur 
schaffen, mindestens 33V zu kriegen (plus ~1V für die Strombegrenzung). 
Also 33V Mindestspannung am unteren Ende der Spannungskurve des 
Glättungselkos. Bei 210-220V Netzspannung oder so, oder was immer du da 
als Minimum einzusetzen gedenkst, wenn nicht jedesmal das Labornetzteil 
schlapp machen soll, bloss weil Nachbars Kühlschrank anspringt. Und 
jetzt rechne mal aus, was bei 250V Netz am oberen Ende der 
Elkospannungskurve rauskommt.

Aber bleiben wir mal bei deinen 45W, weil's schon da nicht geht. Macht 
bei gepeilten 2.5K/W zwischen Wärmequelle und Kühlkörper eine Differenz 
von ~110° zwischen Sperrschicht und Kühlkörper (45*2,5). Die maximal 
zulässige Sperrschichttemperatur ist 125°C, d.h. der Kühlkörper darf an 
der Kontaktstelle nicht wärmer sein als ~15°C. Kann funktionieren, 
vorausgesetzt du betreibst das Ding ausschliesslich bei kalten Wintern 
draussen. Oder eben mit flüssigem Stickstoff.

M.a.W: Es gibt Gründe, warum auch in einfacheren Labornetzteilen dieser 
Leistungsklasse so selten integrierte Spannungeregler stecken. 2 
parallele 2N3055 lassen sich weitaus einfacher kühlen als ein LM338.

Autor: Kike I. (kike)
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Wie schon oben gesagt sollten 32V am Eingang vom Regler sein --> ~30V 
Ausgang, ergo Verlustleistung 6W. Mit "Schaltertrafo" 16V rein, ~1V 
raus, oder 32V rein, 17V raus, ergo 45W Verlustleistung (MAXIMAL).
Zugegeben es ist knapp, aber da das Teil für mich ist, und ich weiss 
worauf ich achten muss, sollte das keine grösseren Probleme darstellen.
TO-3 Gehäuse: 1K/W, Isolierung: 0.5K/W, Kühler: 1K/W, 
Umgebungstemperatur: 30ºC ----> ~40W Leistung die gekühlt werden kann. 
Na ja, maximal 25V am Ausgang würden es auch tun, dann würde ja alles 
perfekt passen :D.
Eeeehm, hast Du ein Bild bzw. Link zu so einer 2N3055 Schaltung?

Autor: Kike I. (kike)
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Hm, zur Kurzschlusssicherung kann mir niemand weiterhelfen? Vielleicht 
muss ich dann doch zu so einem Multifuse zurückgreifen, obwohl mich das 
nicht so überzeugt...

Autor: Sonic (Gast)
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Hi,
lade dir doch den Schaltplan vom CONRAD-Netzteil Artikel-Nr.: 510122 - 
62  'runter, da kannste das abkupfern.

Autor: Kike I. (kike)
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Leider ist mir das etwas zu hoch, aber danke für den Tip.

Autor: Wiesi (Gast)
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Also. Es ist viel einfacher einen LM317 statt der LM338 zu nehmen. den 
zusätzlichen Strom, den der LM317 nicht kann, macht man am einfachsten 
mit einem sognenannten. "PNP-Pass-Transistor".

Der LM317 hat (evtl je nach Hersteller, der von ST hats lt. Datenblatt) 
sowieso eine interne Strombegrenzung (und Übertemperaturschutz).

Am einfachsten wird der Widerstand für den Pass Transistor so 
dimensioniert, dass auch bei Kurzschluss die Verlustleistung am LM317 
klein genug bleibt, ohne dass es Probleme gibt (nicht dass der abregelt 
und der Pass transistor noch genug Luft hat).

Den Pass Transistor kann man jetzt recht einfach mit einem 2. Transistor 
gegen Überstrom schützen.

(Als Pass Trans. kann man die PNP Variante vom 2N3055 nehmen.)

Das Ganze sieht dann in etwa so aus:

            Rs2       E Q1  C
       .--|\/\/|-*----\   /------------.
       |         |B    ---             |
       |       E---C    |              |
       *-------/   \    |              |
       |        Q2 |   B|  .-------.   |
 o-----*--|\/\/|---*----*--| LM317 |---*----o
           Rs1             '-------'
                               |
                               |
                              ---

Beide Transistoren PNP. Rs1 stellt den Strom ein, abwannt Q1 den Strom 
vom Regler übernimmt. Wählt man typischerweise so für 100mA.
Rs2 bestimmt, wann die Strombegrenzung für Q1 einsetzt.

Q1 muss den Laststrom könne, Q2 muss den Kurzschlussstrom des Relgers 
(lt Datenblatt) können.


    Wiesi

Autor: Kike I. (kike)
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Na ja, zu den 2N3055 find ich zwar was, aber ich mag ja nicht einfach 
irgendeine Schaltung abkupfern, sonder auch verstehen und berechnen 
können. Deshalb bleib ich bei meinem Design und dreh es einfach runter 
auf 20V/2A. Da könnte ich zwar einen anderen Regler nehmen (LM350) aber 
ich habe gesehen das der sogar teurer als der LM338 ist.
Also dann fehlt mir nur noch ein bisschen Hilfe zum Strombegrenzer, der 
dann etwas über 2A eingreifen sollte, z.B. 2.2A.

Autor: Kike I. (kike)
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@Wiesi
Danke! Deine Antwort habe ich jetzt erst gesehen. Mache mich mal gleich 
dran, und schaue dann wie ich es zuletzt versuchen werde.

Autor: A.K. (Gast)
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Wobei die LM317/MJ2955-Variante nur dann kurzschlussfest ist, wenn die 
Verlustleistungsrechnung wirklich stimmt. Denn anders als der 
integrierte Regler hat Q1 keine automatische Abschaltung bei thermischer 
Überlastung.

2N3055/MJ2955 in TO-3 können 200°C, die TIP2955/3055-Versionen nur 
150°C. Bei den TIPs muss der KK folglich deutlich grösser sein.

Der LM317 (oder auch der LM338/350) sollte nicht direkt an der 
Dropout-Grenze betrieben werden. Beim LM317@100mA (Wiesi) also nicht 
unter 2V, im LM338 Original oben nicht unter 3V Differenz zwischen Ein- 
und Ausgang. In der LM317/MJ2955-Version kommen dazu noch ~2V über Rs2 
und Ube von Q1 hinzu.

Insgesamt sollte also für 30V Ausgangsspannung die Mindestspannung an 
den Glättungselkos nicht unter 34V sinken.

Die Mindestspannung an den Elkos liegt je nach deren Dimensionierung 
weit unterhalb von Effektivwert*1.4. Bei dem hier offenbar vorgesehenen 
2*12V-Trafo sind allenfalls ca. 24V Ausgangsspannung drin, nicht 30V.

Autor: Kike I. (kike)
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Also hier ist jetzt die Schaltung mit der PNP-Pass-Transistor variante. 
Hier sind meine Berechnungen. Falls etwas nicht stimmt, sagtr es mir 
bitte.

Wenn ich an R4 (R6) 1V abfallen lasse, und dass bei 100mA passieren soll 
damit Q1(Q3)(MJ2955) die Stromzufuhr übernimmt, muss R4 (R6)=10 Ohm 
(1/4W).

Ich nehme erst mal an, dass ich aus Q1 (Q3) 5A ziehen kann, womit R3 
(R5)= 0.135 Ohm, damit Q2 (Q5) bei ~5.2A anfängt den Stromfluss zu 
begrenzen indem der Basisstrom von Q1 (Q3) weggezogen wird.

Stimmt das bis hier noch?

Zu den Leistungsberechnungen:
Gehen wir mal davon aus, dass ich am Siebelko zwischen 18 und 36V per 
Schalter am Trafo hin und her schalten kann, damit bei 
Ausgangsspannungen von ~0-15V immer 18V, und bei Ausgangsspannungen von 
16-30V immer 36V am Siebelko sind. Somit ist die maximale 
Verlustleistung an Q1 (Q3) 20*5.2=104W. Laut Datenblatt verträgt der 
MJ2955 bis zu 115W. Wäre dann ja eigentlich alles OK. Aber wie stellen 
die sich vor, dass man sowas kühlt wenn die 115W hinschreiben? 
vielleicht doch mit flüssigem Stickstoff? :P

Oder muss ich einfach noch so einen transistor dazu schalten? Aber wie? 
Darlington sagt mir etwas dazu. Schau ich mal ob ich darunter was finde.

Autor: A.K. (Gast)
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Wenn du erst bei 5A begrenzt raucht es bald. Ab ungefähr der halben 
Nennleistung ist es i.A. schwierig, Transistoren noch ausreichend zu 
kühlen.

Parallelschaltung bipolarer Transistoren ist möglich, indem man zwischen 
den Emittern und dem gemeinsamen Punkt Widerstände schaltet, die deren 
negative Temperaturkoeffizienten kompensieren. An dem also so um die 
0,5V abfallen. Lässt sich hier mit R3 kombinieren, also pro Q1 einen R3, 
wobei dann natürlich auch Q2 zweimal existieren muss.

Autor: A.K. (Gast)
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Kleiner Haken noch: Im Kurzschlussfall läuft der Strom durch den LM317 
soweit hoch, bis dessen Überlastkontrolle zuschlägt. Dazu ist die zwar 
da, aber zur Dauereinrichtung sollte man den Kurzschluss nicht machen.

Autor: Kike I. (kike)
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Na ja, ich glaub' ich krieg das so nie hin. Also, dann halt 24V/3A langt 
auch für das Meiste.

Trafo mit 2*(15V,30V)/5A(?)
--> 46.5W Verlust an Q1(Q3) maximal bei Strombegrenzung ab 3.1A
--> Ein Kühlkörper mit bis zu 2.2 K/W sollte das locker packen. 
(Übrigens, auf 'nen Kühlkörper muss nur der Q1 (Q3), und nicht die 
LM317, oder?)
--> R4(R6)=10 Ohm (1/4W)
--> R3(R5)=0.7/3.1 ~=0.22 Ohm (1W)
--> Q1(Q3)-> MJ2955
--> Q2(Q4)-> ??? Welcher transistor bietet sich für Q2(Q4) an? Der 
gleiche wie die anderen oder kann man auch einen billigeren 
Kleinsignaltransistor nehmen?

Falls etwas falsch sein sollte, sagt es mir bitte!

MfG

Autor: A.K. (Gast)
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Wenn die Strombegrenzung zuschlägt, fliesst soviel Strom durch den 
Regler wie dieser zulässt, und dieser Strom fliesst grösstenteils durch 
Q2. Also sollte der ~1,5A verkraften können. BD434 beispielsweise. Und 
das sind dann 1-1,5W, also grad noch ohne Kühler machbar.

Der LM317 wird schon im Normalbetrieb mit 100mA belastet. Sollte also 
auf mindestens 2W gekühlt werden, besser etwas mehr.

Deine 46,5W kann ich wie üblich nicht nachvollziehen.

Autor: Kike I. (kike)
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Vielen Dank A.K.!

Aber wieso kannst Du meine 46.5W nicht nachvollziehen? Wie gesagt möchte 
ich nur noch bis 24V regeln können wozu ich dann einen Trafo nehme mit 
dem ich 15 bzw. 30Vdc am Siebelko habe --> Maximaler Spannungsabfall am 
Transistor 15V (eigentlich 0.66V weniger bei voller Strombelastung, 
wegen dem Widerstand) --> (15*3.1=46.5W). Oder habe ich etwa wieder was 
verpasst?

Autor: A.K. (Gast)
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Ok, dem Text "Trafo mit 2*(15V,30V)/5A(?)" war nicht zu entnehmen, dass 
du 30Vdc meinst. Trafos werden höchst selten mit Vdc spezifiziert.

Autor: Läubi (Gast)
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http://elektronik.laeubi-soft.de/index.php?id=26
Vieleicht hilft dir das ja weiter?
Du kannst die Potis natürlich durch feste widerstände deine bedürfnissen 
anpassen.

Autor: Kike I. (kike)
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Stimmt, mein Fehler.

Ich habe den Trafo bis jetzt eigentlich mehr oder weniger wie eine 
Wechelspannungsquelle gesehen, um mich um die restliche Schaltung zu 
kümmern. Aber jetzt wo ich diese so ziemlich fertig habe, habe ich mal 
angefangen mich Trafotechnisch umzuschauen, d.h. ob es so einen Trafo 
überhaupt gibt (2 getrennte Spulen im Sekundären, und man bei beiden 
zwischen 2 Verschieden Werten hin und her schalten kann). Habe bis jetzt 
aber nichts so tolles gefunden. Gibt es da eine bestimmte Art (z.B. 
Ringtrafo) die man für Anwendungen wie meine hier benutzt?

Die Spannung im Sekundären wird ja in Veff angegeben, dann müsste doch 
mein Trafo 30V/Wurzel(2)~=21.2Veff haben, lassen wir es also 22Veff sein 
(wohl gemerkt, dass ich bis 24Vdc regeln möchte, d.h. 30Vdc sind ja 
schon überdimensioniert). Der Wert auf den man umschalten können soll, 
sollte dann 11Veff sein. Das müsste dann so doch passen, oder?

Autor: A.K. (Gast)
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Du bewegst dich hier in einer Leistungsklasse, in der passende Trafos 
nicht von den Bäumen wachsen. Jedenfalls nicht, wenn du einen Trafo für 
beide Zweige verwenden willst.

Zur Spannung: 24V hinter der Regelung heisst mindestens 28V davor. Ein 
Trafo mit nominell 24Veff liefert hinter dem Gleichrichter nominell ca 
32V Spitze, bei etwas Unterspannung im Netz entsprechend weniger, bei 
geringer Last oder etwas Überspannung deutlich mehr. Und wenn du keine 
Elkos von Bierglassgrösse einbaust, dann ist der untere Wert, gegen Ende 
der Entladekurve, ein paar Volt geringer. D.h. 24V Ausgangsspannung sind 
nur bei gutem Wetter sicher drin - für eine professionelle Lösung wäre 
das inakzeptabel knapp.

Da Trafos mit 4x12V/5A nicht sonderlich häufig sind und bis auf den 
Trafo ohnehin schon alles doppelt ist, solltest du überlegen, das ganze 
lieber 2mal aufzubauen, als alles in einen Topf zu werfen. Dabei könnte 
auch die Erkenntnis helfen, dass man negative Spannungen selten mit 3A 
benötigt, wenn man nicht grad mit Hifi-Verstärkern liebäugelt. Also 2 
getrennte Netzteile, die auch mal 2 positive Spannungen liefern, wenn 
benötigt.

Autor: A.K. (Gast)
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Die Läubi-Variante mit LM723 verströmt zwar den Geruch der Siebziger, 
dürfte den Zweck aber auch erfüllen. Mit 18V-Trafo wird man wohl kaum 
auf saubere 24V kommen und mit einem guten 24V-Trafo bleibt man grad 
noch unter dem Grenzwert (Out-In max 38V).

Autor: Kike I. (kike)
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Ich danke dir nochmals A.K.!

Wie gesagt soll das hier keine professionelle Lösung sein, sondern eine 
die für mich funktioniert. Und als erstes Netzteil ist es ja gar nicht 
so schlecht finde ich. Ich lasse es jetzt mal so wie es es ist und 
kümmere mich um die Anzeige (mit 7-Segment LEDS und den CA3161 und 
CA3162), was eigentlich keine so grossen Probleme darstellen sollte.

Also, danke noch mals an alle!

MfG

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